Netzwerkarchitektur und Schichtung

Netzwerkarchitektur ist die Organisation eines Kommunikationssystems in Protokollschichten, wobei jede Schicht der darüberliegenden Schicht Dienste bereitstellt und auf der darunterliegenden Schicht aufbaut, sodass das komplexe Problem der Datenübertragung zwischen Hosts in überschaubare, klar definierte Teile zerlegt wird.

Definition

Eine Netzwerkarchitektur ist ein strukturierter Satz von Schichten und Protokollen, zusammen mit den Diensten, die jede Schicht anbietet, und den Schnittstellen zwischen den Schichten, die zusammen definieren, wie Daten über ein Netzwerk kommuniziert werden.

Scope

Dieser Bereich behandelt die strukturellen Prinzipien von Computernetzwerken: die geschichteten Protokollstapel (das siebenschichtige OSI-Referenzmodell und das fünfschichtige Internet-/TCP-IP-Modell), die Unterscheidung zwischen dem Netzwerkrand (Hosts und Zugangsnetzwerke) und dem Netzwerkkern (Switches und Router), die zwei grundlegenden Vermittlungsstrategien der Paketvermittlung und der Leitungsvermittlung sowie die Metriken zur Charakterisierung der Netzwerkleistung wie Durchsatz, Verzögerung und Paketverlust. Er behandelt die Architektur als Rahmenkontext für alle Mechanismen der unteren und oberen Schichten, die in verwandten Bereichen behandelt werden, und nicht die detaillierten Mechanismen selbst.

Sub-topics

• Netzwerkrand und -kern
• Metriken der Netzwerkleistung
• Paketvermittlung und Leitungsvermittlung
• Protokollschichtung und Referenzmodelle

Core questions

• Warum ist die Netzwerkfunktionalität in Schichten organisiert, und welche Kosten und Vorteile hat die Schichtung?
• Wie unterscheiden sich das OSI-Siebenschichtenmodell und das Internet-Fünfschichtenmodell, und warum hat sich das Internetmodell in der Praxis durchgesetzt?
• Was unterscheidet den Netzwerkrand vom Netzwerkkern?
• Wie unterscheiden sich Paketvermittlung und Leitungsvermittlung hinsichtlich Ressourcenteilung, Verzögerung und Zuverlässigkeit?
• Welche Metriken – Durchsatz, Latenz, Jitter und Verlust – charakterisieren die Leistung, die ein Netzwerk liefert?

Key concepts

• Protokollschichten
• OSI-Referenzmodell
• TCP/IP (Internet)-Modell
• Kapselung
• Netzwerkrand und -kern
• Paketvermittlung
• Leitungsvermittlung
• statistisches Multiplexing
• Durchsatz, Verzögerung und Verlust
• das End-to-End-Argument

Key theories

Protokollschichtung und die Dienst-Schnittstellen-Abstraktion

Netzwerke sind als Stapel von Schichten organisiert, wobei jede Schicht der darüberliegenden Schicht über eine Schnittstelle einen definierten Dienst anbietet und die Implementierung darunter verbirgt; diese Modularität ermöglicht es den Schichten, sich unabhängig voneinander zu entwickeln, solange die Schnittstellen erhalten bleiben.

Das End-to-End-Argument

Funktionen wie zuverlässige Zustellung und Sicherheit werden am besten bei den kommunizierenden End-Hosts implementiert und nicht im Netzwerkkern, da der Kern sie oft nicht korrekt ausführen kann und Kosten für Flüsse verursachen würde, die sie nicht benötigen; dieses Prinzip prägte das Design des Internets.

Statistisches Multiplexing bei der Paketvermittlung

Die Paketvermittlung teilt die Verbindungskapazität bei Bedarf unter vielen Flüssen auf und erreicht eine hohe Auslastung bei stoßweisem Verkehr, auf Kosten variabler Warteschlangenverzögerung und möglichem Verlust – im Gegensatz zur reservierten, aber potenziell ungenutzten Kapazität der Leitungsvermittlung.

Clinical relevance

Die geschichtete Architektur ist das Organisationsprinzip hinter praktisch allen modernen Netzwerken: Sie ermöglicht es einem Webbrowser, einem Wi-Fi-Adapter und einer Unterwasser-Glasfaserverbindung, miteinander zu interagieren, ohne dass eine Komponente die Interna der anderen kennen muss. Das Verständnis von Edge-versus-Core und Paket-versus-Leitungsvermittlung ist grundlegend für die Kapazitätsplanung, das Design von Cloud-Rechenzentren und die Argumentation bei latenzsensiblen Anwendungen wie Videokonferenzen und Online-Gaming.

History

Die geschichtete Kommunikationsarchitektur kristallisierte sich in den 1970er Jahren mit dem ARPANET und der parallelen Entwicklung des OSI-Referenzmodells heraus, das 1980 von Zimmermann formalisiert wurde. Die TCP/IP-Protokollsuite von Cerf und Kahn und die von Clark 1988 formulierte Designphilosophie etablierten das einfachere Internetmodell, das sich letztlich durchsetzte. Die Spannung zwischen dem umfassenden OSI-Stack und dem pragmatischen TCP/IP-Stack prägte einen Großteil der prägenden Debatte im Bereich der Vernetzung.

Debates

OSI-Siebenschichtenmodell versus TCP/IP-Modell

Das OSI-Modell ist eine reichhaltigere pädagogische Referenz mit separaten Sitzungs- und Darstellungsschichten, aber das schlankere fünfschichtige TCP/IP-Modell entsprach den realen Internet-Implementierungen und setzte sich in der Praxis durch; Lehrbücher lehren immer noch beide, weil OSI Funktionen klärt, die der Internet-Stack zusammenfasst.

Key figures

• Hubert Zimmermann
• David D. Clark
• Vinton Cerf
• Robert Kahn
• Andrew S. Tanenbaum

Seminal works

• kurose2021
• tanenbaum2010
• clark1988

Frequently asked questions

Warum werden Netzwerke in Schichten und nicht als ein monolithisches System aufgebaut?

Die Schichtung zerlegt ein schwieriges Problem in kleinere mit klaren Schnittstellen, sodass jede Schicht unabhängig entworfen, implementiert und ersetzt werden kann. Ein neues physisches Medium kann hinzugefügt werden, ohne Anwendungen zu ändern, und eine neue Anwendung kann über jedes Netzwerk laufen, das die erwarteten Dienste der unteren Schichten bereitstellt.

Ist das Internet paketvermittelt oder leitungsvermittelt?

Das Internet ist grundsätzlich paketvermittelt: Daten werden in Pakete zerlegt, die Hop für Hop weitergeleitet werden und die Verbindungskapazität statistisch teilen. Einige Zugangs- und Transporttechnologien emulieren Leitungen oder reservieren Ressourcen, aber die Kern-IP-Schicht verwendet Paketvermittlung.